活性焦強(qiáng)度檢測實(shí)踐與探討

段 超

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013；2.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

活性焦是以煤為主要原料而制備的炭材料產(chǎn)品，主要用于煙氣凈化領(lǐng)域[1，2]。其可在1套反應(yīng)器內(nèi)聯(lián)合脫除SO2和NOx及其它污染物[3，4]，可用于鍋爐煙氣、焦?fàn)t煙道氣、球團(tuán)煙氣的凈化[5，6]，在脫硫、脫硝過程中不產(chǎn)生廢渣、無二次污染，且可回收硫資源[7]。至2016年以來，活性焦使用最廣泛的領(lǐng)域在燒結(jié)煙氣。鋼鐵企業(yè)的鐵礦石燒結(jié)煙氣量大，溫度窗口120 ℃～190 ℃，完全符合活性焦脫硫脫硝的溫度范圍[8，9]。

目前，首鋼、寶鋼、沙鋼、邯鋼等大型鋼鐵企業(yè)的燒結(jié)機(jī)煙氣已確定采用活性焦干法煙氣凈化技術(shù)，活性焦的需求量也顯著增加。活性焦產(chǎn)品投裝至移動(dòng)床煙氣凈化裝置中，一次性初裝量較大，根據(jù)處理煙氣量的不同而異，一般初裝量為幾千噸至上萬噸。活性焦的生產(chǎn)主要集中在寧夏、山西及陜西部分地區(qū)。由于活性焦市場的長期向好，很多煤炭生產(chǎn)企業(yè)及化工企業(yè)也在考慮投建活性焦生產(chǎn)廠。

活性焦的檢測國標(biāo)在2013年發(fā)布[10]，對于活性焦產(chǎn)品的規(guī)范及應(yīng)用發(fā)揮了非常積極的作用。但當(dāng)時(shí)的活性焦應(yīng)用領(lǐng)域并未如今之廣泛，活性焦的使用量及產(chǎn)能均不高。近些年活性焦的生產(chǎn)工藝水平、檢測手段、應(yīng)用需求均有新的發(fā)展。以下針對活性焦檢測過程中生產(chǎn)及應(yīng)用方所關(guān)注的強(qiáng)度指標(biāo)(如耐壓強(qiáng)度及耐磨強(qiáng)度等)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)室的檢測實(shí)踐，對比國內(nèi)外活性焦檢測要求進(jìn)行分析，以期為將來活性焦檢測試驗(yàn)方法的修訂提供借鑒。

1 活性焦的強(qiáng)度指標(biāo)要求

活性焦顆粒的直徑大小分為A型和B型，所謂的A型是國內(nèi)通用的φ9 mm柱狀活性焦、日本所用的φ10 mm的活性焦[11]；B型活性焦即為直徑5 mm、6 mm的活性焦?；钚越巩a(chǎn)品粒徑的不同是根據(jù)不同的煙氣脫硫脫硝反應(yīng)器所設(shè)計(jì)。B型活性焦是滿足板式塔反應(yīng)器需求的產(chǎn)品，其活性焦不是密集堆砌式填裝，因此對活性焦的耐壓強(qiáng)度及耐磨強(qiáng)度的要求較低，尤其是耐壓強(qiáng)度，25DaN耐壓強(qiáng)度即可滿足要求。

活性焦技術(shù)要求見表1。

表1 活性焦技術(shù)要求

序號項(xiàng)目指標(biāo)A型優(yōu)級品一級品合格品B型1水分/%≤5≤52堆積密度/(g·L-1)570～700570～700>11.2 mm ≤5%>6.3 mm ≤10.0%3粒度 (11.2～5.6) mm ≥90.0%(6.3～3.15) mm ≥84.0%(5.6～1.4) mm ≤4.7%(3.15～1.4) mm ≤5.0%<1.4 mm ≤0.3% <1.4 mm ≤1.0%4耐磨強(qiáng)度≥97.0≥94.0≥96.05耐壓強(qiáng)度/daN≥40≥37≥30≥256著火點(diǎn)/℃≥420≥4207脫硫值/(mg·g-1)≥20.0≥18.0≥15.0≥20.08脫硝率/%實(shí)測不規(guī)定

國內(nèi)脫硫脫硝設(shè)備多為移動(dòng)床裝置，不管是WKV對流式移動(dòng)床裝置還是日本住友重機(jī)或國內(nèi)克硫公司的錯(cuò)流式移動(dòng)床，活性焦均堆砌在裝置中，需較高的耐壓強(qiáng)度和耐磨強(qiáng)度。國內(nèi)以A型活性焦的需求為主，依據(jù)表1活性焦技術(shù)要求，能夠區(qū)分A型活性焦關(guān)鍵指標(biāo)主要包括耐壓強(qiáng)度、耐磨強(qiáng)度和脫硫值。其中脫硫值的檢測方法較為成熟，檢測誤差也較低?；钚越鼓蛪簭?qiáng)度和耐磨強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)方法，隨著活性焦煙氣凈化技術(shù)的發(fā)展，活性焦應(yīng)用量的不斷增加，其檢測數(shù)據(jù)的爭議正確性也越來越頻繁。

較高的耐壓強(qiáng)度及耐磨強(qiáng)度是活性焦區(qū)別于普通活性炭的最關(guān)鍵之處，然而關(guān)于活性焦耐壓強(qiáng)度的測試，盡管有國家標(biāo)準(zhǔn)在設(shè)備、測試方法上的詳細(xì)規(guī)定，但不同試驗(yàn)室或檢測機(jī)構(gòu)測得的結(jié)果仍有差異。關(guān)于耐磨強(qiáng)度國標(biāo)測試方法和目前國內(nèi)權(quán)威的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有所區(qū)別，以下根據(jù)其檢測設(shè)備及具體操作規(guī)程進(jìn)行分析和討論。

2 耐壓強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測定

日本相關(guān)企業(yè)對活性焦的耐壓強(qiáng)度測試要求非常嚴(yán)格，日本住友重機(jī)的報(bào)告稱之為“壓壞強(qiáng)度”，即活性焦以發(fā)生損壞、斷裂且不能正常使用的情況作為判定條件。GB/T 30202.3—2013《脫硫脫硝用煤質(zhì)顆?；钚蕴吭囼?yàn)方法 第3部分:耐磨強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度》中對試樣及設(shè)備條件進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)定，但對于判定活性焦耐壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)而提出活性焦壓碎瞬間的受力值。實(shí)際上不管是瞬間受力值或活性焦的壓壞強(qiáng)度，均在強(qiáng)調(diào)說明耐壓強(qiáng)度不是以活性焦持續(xù)壓碎或完全壓碎條件下所得到的受力值，因此種情況下測得的耐壓強(qiáng)度偏高。壓碎的瞬間即活性焦已不能正常使用，因而比較符合應(yīng)用實(shí)際[12]。

一些設(shè)備制造商生產(chǎn)的耐壓設(shè)備為自動(dòng)式測試設(shè)備，即將樣品放入檢測槽內(nèi)，檢測設(shè)備壓頭自動(dòng)工作、測試并讀取耐壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)。判定活性焦耐壓強(qiáng)度值的工作均由設(shè)備自動(dòng)完成。由于不同設(shè)備廠家判定標(biāo)準(zhǔn)的差異，儀器作為預(yù)先設(shè)定程序的自動(dòng)設(shè)備，即將耐壓強(qiáng)度判定權(quán)交給了相關(guān)儀器的生產(chǎn)企業(yè)，而非專業(yè)測試人員。

日本住友重機(jī)或日本電源開發(fā)公司作為活性焦應(yīng)用最成熟的單位，擁有很多成功的煙氣凈化工程案例，其在評估活性焦關(guān)鍵耐壓指標(biāo)方面值得參考，即均使用機(jī)械式、指針壓力計(jì)耐壓強(qiáng)度儀。在檢測過程中利用人工操作機(jī)械搖桿逐漸施壓，由人工判斷活性焦在受壓斷裂或破碎瞬間而停止機(jī)械搖桿讀取耐壓強(qiáng)度，而非持續(xù)施壓。國內(nèi)克硫公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了使用點(diǎn)動(dòng)式設(shè)備測試耐壓強(qiáng)度，即由專業(yè)的測試人員判斷活性焦的耐壓強(qiáng)度。顯而易見，測試人員利用“壓壞強(qiáng)度”判定活性焦的耐壓強(qiáng)度值時(shí)，其值低于“壓碎強(qiáng)度”值。

為了說明利用點(diǎn)動(dòng)式強(qiáng)度儀測試活性焦耐壓強(qiáng)度有著較理想的重復(fù)性，實(shí)驗(yàn)針對同一個(gè)活性焦試樣進(jìn)行盲測，測試試樣數(shù)量為20粒，活性焦樣品耐壓強(qiáng)度重復(fù)性實(shí)驗(yàn)具體數(shù)據(jù)見表2。其中，耐壓強(qiáng)度大于800 N按照800 N計(jì)算，低于80 N按照80 N計(jì)算。

表2 活性焦樣品耐壓強(qiáng)度重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

測試序號12345678910測試1耐壓試驗(yàn)/N504539365432391269800/865800/805503492測試序號11121314151617181920耐壓試驗(yàn)/N444644371134406536503707759722測試序號12345678910測試2耐壓試驗(yàn)/N165800/980400100466606800/807373718517測試序號11121314151617181920耐壓試驗(yàn)/N248671213800/982710711800/1227675265451

計(jì)算測試1和測試2的耐壓強(qiáng)度平均值分別為516 N和524 N，由此可見采用點(diǎn)動(dòng)式耐壓強(qiáng)度儀由人工判定活性焦的“壓壞強(qiáng)度”所得的耐壓強(qiáng)度值有著較理想的重復(fù)性。分析2組耐壓強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)有一定的離散型。測試1的最低耐壓強(qiáng)度為134 N，最高耐壓強(qiáng)度為865 N；測試2耐壓強(qiáng)度低至100 N，最高耐壓強(qiáng)度達(dá)到1 227 N。計(jì)算20粒的平均值得到最終的耐壓強(qiáng)度值相近，說明20粒平均值能得到很好的回歸。

由表2中耐壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)可知，較多活性焦試樣的耐壓強(qiáng)度均超過500 N。近些年來，隨著活性焦研究、生產(chǎn)水平的不斷提升，活性焦產(chǎn)品的耐壓強(qiáng)度均顯著增加。依據(jù)國標(biāo)所規(guī)定的5 daN～50 daN已無法滿足對耐壓強(qiáng)度較高的活性焦進(jìn)行有效區(qū)分。筆者所在的實(shí)驗(yàn)室收集全國范圍內(nèi)活性焦生產(chǎn)企業(yè)的樣品進(jìn)行測試，有相當(dāng)部分的活性焦樣品耐壓強(qiáng)度超過500 N。如果依據(jù)國標(biāo)以50 daN為上線進(jìn)行計(jì)算，將無法對耐壓強(qiáng)度高的活性焦樣品進(jìn)行有效區(qū)分。參考上?？肆蚬镜钠髽I(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如表2的計(jì)算方法將活性焦有效耐壓強(qiáng)度范圍在80 N～800 N較為合理。

3 耐磨強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測定

依據(jù) GB/T 30202.3—2013《脫硫脫硝用煤質(zhì)顆?；钚蕴吭囼?yàn)方法 第3部分:耐磨強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度》測定活性焦的耐磨強(qiáng)度，所用設(shè)備內(nèi)徑200 mm，有效長度70 mm，內(nèi)壁有對稱擋板2塊，擋板高30 mm、長70 mm、厚度3 mm～4 mm。在克硫公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中測定活性焦耐磨強(qiáng)度，規(guī)定所用設(shè)備的內(nèi)徑80 mm、有效長度120 mm、壁厚3 mm，內(nèi)壁有對稱的縱筋。更為重要區(qū)別是，克硫公司標(biāo)準(zhǔn)在滾筒內(nèi)放置了直徑為(14.3±0.2)mm的軸承滾珠5個(gè)，此即參考了水處理活性炭強(qiáng)度的檢測標(biāo)準(zhǔn)。

比較國標(biāo)和克硫公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可發(fā)現(xiàn)，國標(biāo)的內(nèi)徑相對較長，活性焦顆粒裝入耐磨強(qiáng)度儀中多為摔打，而不是以活性焦的表層和骨架受到破壞為主，并未很好地體現(xiàn)顆粒磨損的應(yīng)用需求。對國內(nèi)典型的無煙煤、煙煤為原料生產(chǎn)的5組商用活性焦產(chǎn)品，其耐磨強(qiáng)度分別依據(jù)國標(biāo)和克硫企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測，具體結(jié)果見表3。

表3 活性焦分別依據(jù)國標(biāo)和克硫企標(biāo)測定耐磨強(qiáng)度的測試結(jié)果

%

由表3可知，不管依據(jù)國標(biāo)或克硫企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，針對不同的商用活性焦產(chǎn)品區(qū)分度非常明顯；尤其由對比同一樣品時(shí)依據(jù)2個(gè)不同標(biāo)準(zhǔn)檢測所測得的強(qiáng)度值可發(fā)現(xiàn)，所有的國標(biāo)法測試耐磨強(qiáng)度均低于克硫企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。活性焦顆粒在直徑200 mm轉(zhuǎn)鼓內(nèi)摔打時(shí)更易碎，一般同等情況下所測得的耐磨強(qiáng)度比克硫標(biāo)準(zhǔn)要低。因此克硫企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，耐磨強(qiáng)度達(dá)到98%才屬合格品，而國標(biāo)規(guī)定耐磨強(qiáng)度達(dá)94%即已合格。

為了更好地體現(xiàn)活性焦的磨損應(yīng)用需求，建議國標(biāo)對耐磨強(qiáng)度的設(shè)備規(guī)范及測定方法進(jìn)行修訂，才能使其更好地服務(wù)于工業(yè)應(yīng)用。

4 結(jié) 語

針對活性焦的耐壓強(qiáng)度及耐磨強(qiáng)度的檢測方法，結(jié)合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)對比分析了國標(biāo)法與國內(nèi)外代表性的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之差異，建議將檢測耐壓強(qiáng)度改為測定“壓壞強(qiáng)度”，以期更能滿足及拓展活性焦在煙氣凈化等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。測試耐壓強(qiáng)度以專業(yè)人員的檢測判定較為準(zhǔn)確，而不能以設(shè)備制造商所設(shè)定的程序?yàn)闇?zhǔn)。對比了國標(biāo)法和權(quán)威的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)耐磨強(qiáng)度的測試方法，認(rèn)為活性焦裝入直徑較大的轉(zhuǎn)鼓中主要以摔打作用為主，不利于有效判定活性焦顆粒在工業(yè)裝置中的實(shí)際磨損情況。因此，有必要對活性焦的耐磨強(qiáng)度測試方法國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂。